Ingenjörer har visat att en allmänt använd metod för att detektera enstaka fotoner också kan räkna närvaron av minst fyra fotoner åt gången. Forskarna säger att denna upptäckt kommer att låsa upp nya möjligheter i fysiklaboratorier som arbetar inom kvantinformationsvetenskap runt om i världen, samtidigt som det ger enklare vägar till utveckling av kvantbaserad teknik.

Studien var ett samarbete mellan Duke University, Ohio State University och branschpartner Quantum Opus, och dök upp online den 14 december i tidningen Optica .

"Experter på området försökte göra detta för mer än ett decennium sedan, men deras beräkningar på baksidan av kuvertet drog slutsatsen att det skulle vara omöjligt, "sa Daniel Gauthier, en professor i fysik vid Ohio State som tidigare var fysikens ordförande vid Duke. "De fortsatte med att göra olika saker och återvände aldrig till det. De hade det inlåst i sinnet att det inte var möjligt och att det inte var värt att lägga tid på."

"När vi presenterade våra uppgifter, världsexperter var bara blåsta bort, "fortsatte Jungsang Kim, professor i el- och datateknik vid Duke. "Det är skönt att ha en grupp som vår som kom igång lite senare bestämmer sig för att prova något eftersom vi inte hade några skygglappar på."

Upptäckten behandlar en ny metod för att använda en fotondetektor som kallas en superledande nanotråds-en-fotondetektor (SNSPD).

I hjärtat av detektorn finns ett supraledande glödtråd. En superledare är ett speciellt material som kan bära en elektrisk ström för evigt med noll förluster vid låga temperaturer. Men precis som en vanlig koppartråd, en superledare kan bara bära så mycket el på en gång.

En SNSPD fungerar genom att ladda ett loopat segment av supraledande tråd med en elektrisk ström nära dess maximala gräns. När en foton passerar, det får den maximala gränsen i en liten del av tråden att sjunka, skapa en kort förlust av supraledning. Den förlusten, i tur och ordning, får en elektrisk signal att markera närvaron av fotonen.

I den nya installationen, forskarna ägnar särskild uppmärksamhet åt den specifika formen av den första spiken i den elektriska signalen, och visa att de kan få tillräckligt med detaljer för att korrekt räkna minst fyra fotoner som reser tillsammans i ett paket.

"Foton-nummerupplösning är mycket användbar för mycket kvantinformation/kommunikation och kvanteoptiska experiment, men det är ingen lätt uppgift, "sa Clinton Cahall, en doktorand inom elektroteknik vid Duke och första författare till tidningen. "Inga av de kommersiella alternativen är baserade på supraledare, som ger bästa prestanda. Och medan andra laboratorier har byggt supraledande detektorer med denna förmåga, de är sällsynta och saknar enkelheten i vår installation och dess känslighet på viktiga områden som räknar hastighet eller tidsupplösning. "

För att andra laboratorier ska kunna använda upptäckten, allt de behöver är en specifik typ av förstärkare för att öka SNSPD:s lilla elektriska signal. Förstärkaren måste arbeta vid samma låga temperaturer som SNSPD - minus 452 grader Fahrenheit - för att minska bakgrundsljud. Den måste också ha en bred bandbredd för att undvika störningar i signalen. Sådana förstärkare är redan kommersiellt tillgängliga och många laboratorier har dem.

Resultaten kommer att göra det möjligt för forskare runt om i världen som arbetar med kvantmekanik att omedelbart få nya förmågor med sin befintliga utrustning. Som ett exempel, Duke-Ohio State-gruppen rapporterade också nyligen hur användning av tidpunkten för inkommande fotoner utöver deras kvanttillstånd kan kraftigt öka hastigheten för kvantkrypteringstekniker.

Teamet arbetar nu med att optimera sitt upplägg för att se hur långt de kan sträcka sina förmågor. De tror med rätt elektronik och lite övning, de kunde räkna 10 eller till och med 20 fotoner åt gången. Gruppen har också ansökt om patent för att skapa hyllor baserade på deras metod.